Crédito de imagen: NASA
Si los astrónomos extraterrestres alrededor de una estrella distante hubieran estudiado al joven Sol hace cuatro mil quinientos millones de años, ¿podrían haber visto signos de una Tierra recién formada que orbita esta inocente estrella amarilla? La respuesta es sí, según Scott Kenyon (Observatorio Astrofísico Smithsoniano) y Benjamin Bromley (Universidad de Utah). Además, su modelo de computadora dice que podemos usar los mismos signos para ubicar lugares donde los planetas del tamaño de la Tierra se están formando actualmente: mundos jóvenes que, algún día, pueden albergar vida propia.
La clave para localizar las Tierras recién nacidas, dicen Kenyon y Bromley, es no buscar el planeta en sí, sino un anillo de polvo que orbita la estrella que es una huella digital de la formación de un planeta terrestre (rocoso).
"Lo más probable es que si hay un anillo de polvo, hay un planeta", dice Kenyon.
Los buenos planetas son difíciles de encontrar
Nuestro sistema solar se formó a partir de un disco giratorio de gas y polvo, llamado disco protoplanetario, en órbita alrededor del joven Sol. Los mismos materiales se encuentran en toda nuestra galaxia, por lo que las leyes de la física predicen que otros sistemas estelares formarán planetas de manera similar.
Aunque los planetas pueden ser comunes, son difíciles de detectar porque son demasiado débiles y se encuentran demasiado cerca de una estrella mucho más brillante. Por lo tanto, los astrónomos buscan planetas buscando evidencia indirecta de su existencia. En los sistemas planetarios jóvenes, esa evidencia puede estar presente en el disco mismo y en cómo el planeta afecta el disco polvoriento del que se forma.
Los grandes planetas del tamaño de Júpiter poseen una fuerte gravedad. Esa gravedad afecta fuertemente el disco polvoriento. Un solo Júpiter puede despejar un espacio en forma de anillo en el disco, deformar el disco o crear franjas concentradas de polvo que dejan un patrón en el disco como una estela de un barco. La presencia de un planeta gigante puede explicar el patrón de estela que se ve en el disco alrededor de la estrella Vega de 350 millones de años.
Los mundos pequeños del tamaño de la Tierra, por otro lado, poseen una gravedad más débil. Afectan el disco más débilmente, dejando signos más sutiles de su presencia. En lugar de buscar deformaciones o estelas, Kenyon y Bromley recomiendan observar qué tan brillante es el sistema estelar en las longitudes de onda de luz infrarroja (IR). (La luz infrarroja, que percibimos como calor, es luz con longitudes de onda más largas y menos energía que la luz visible).
Las estrellas con discos polvorientos son más brillantes en el IR que las estrellas sin discos. Cuanto más polvo contiene un sistema estelar, más brillante es en el IR. Kenyon y Bromley han demostrado que los astrónomos pueden usar el brillo IR no solo para detectar un disco, sino también para saber cuándo se está formando un planeta del tamaño de la Tierra dentro de ese disco.
"Fuimos los primeros en calcular los niveles esperados de producción de polvo y los excesos de infrarrojos asociados, y los primeros en demostrar que la formación de planetas terrestres produce cantidades observables de polvo", dice Bromley.
Construyendo planetas desde cero
La teoría más prevalente de la formación de planetas exige la construcción de planetas "desde cero". Según la teoría de la coagulación, pequeños trozos de material rocoso en un disco protoplanetario chocan y se unen. Durante miles de años, los pequeños grupos se convierten en grupos cada vez más grandes, como construir un muñeco de nieve un puñado de nieve a la vez. Finalmente, los grupos rocosos crecen tanto que se convierten en planetas de pleno derecho.
Kenyon y Bromley modelan el proceso de formación de planetas utilizando un programa informático complejo. Ellos "siembran" un disco protoplanetario con mil millones de planetesimales de 0.6 millas (1 kilómetro) de tamaño, todos orbitando una estrella central, y adelantan el sistema a tiempo para ver cómo evolucionan los planetas a partir de esos ingredientes básicos.
"Hicimos la simulación tan realista como pudimos y aún así completamos los cálculos en un tiempo razonable", dice Bromley.
Descubrieron que el proceso de formación de planetas es notablemente eficiente. Inicialmente, las colisiones entre planetesimales ocurren a bajas velocidades, por lo que los objetos que chocan tienden a fusionarse y crecer. A una distancia típica de la Tierra y el Sol, los objetos de 1 kilómetro tardan aproximadamente 1000 años en convertirse en objetos de 100 kilómetros (60 millas). Otros 10,000 años producen protoplanetas de 600 millas de diámetro, que crecen durante 10,000 años adicionales para convertirse en protoplanetas de 1200 millas de diámetro. Por lo tanto, los objetos del tamaño de la Luna pueden formarse en tan solo 20,000 años.
A medida que los planetesimales dentro del disco se hacen más grandes y masivos, su gravedad se hace más fuerte. Una vez que algunos de los objetos alcanzan un tamaño de 600 millas, comienzan a "agitar" los objetos más pequeños restantes. Los tirachinas gravitacionales disparan pedazos de roca más pequeños y del tamaño de un asteroide a velocidades cada vez más altas. Viajan tan rápido que cuando chocan, no se fusionan, se pulverizan y se destrozan violentamente. Mientras los protoplanetas más grandes continúan creciendo, el resto de los planetesimales rocosos se convierten en polvo.
"El polvo se forma justo donde se está formando el planeta, a la misma distancia de su estrella", dice Kenyon. Como resultado, la temperatura del polvo indica dónde se está formando el planeta. El polvo en una órbita similar a Venus será más caliente que el polvo en una órbita similar a la Tierra, dando una pista de la distancia del planeta infantil de su estrella.
El tamaño de los objetos más grandes en el disco determina la tasa de producción de polvo. La cantidad de polvo alcanza su punto máximo cuando se han formado protoplanetas de 600 millas.
"El telescopio espacial Spitzer debería ser capaz de detectar tales picos de polvo", dice Bromley.
Actualmente, el modelo de formación de planetas terrestres de Kenyon y Bromley cubre solo una fracción del sistema solar, desde la órbita de Venus hasta una distancia aproximadamente a medio camino entre la Tierra y Marte. En el futuro, planean extender el modelo para abarcar órbitas tan cercanas al Sol como Mercurio y tan distantes como Marte.
También han modelado la formación del Cinturón de Kuiper, una región de objetos pequeños, helados y rocosos más allá de la órbita de Neptuno. El siguiente paso lógico es modelar la formación de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno.
"Estamos comenzando en los bordes del sistema solar y trabajando hacia adentro", dice Kenyon con una sonrisa. "También estamos trabajando en masa. La Tierra es 1000 veces más masiva que un objeto del Cinturón de Kuiper, y Júpiter es 1000 veces más masiva que la Tierra ".
"Nuestro objetivo final es modelar y comprender la formación de todo nuestro sistema solar". Kenyon estima que su objetivo es alcanzable dentro de una década, ya que la velocidad de la computadora continúa aumentando, lo que permite la simulación de un sistema solar completo.
Esta investigación fue publicada en la edición del 20 de febrero de 2004 de The Astrophysical Journal Letters. Información adicional y animaciones están disponibles en línea en http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Con sede en Cambridge, Massachusetts, el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica es una colaboración conjunta entre el Observatorio Astrofísico Smithsoniano y el Observatorio Harvard College. Los científicos de CfA, organizados en seis divisiones de investigación, estudian el origen, la evolución y el destino final del universo.
Fuente original: Comunicado de prensa de CfA
